JP6492160B2 - アキシャルギャップ型回転電機及び固定子 - Google Patents

アキシャルギャップ型回転電機及び固定子 Download PDF

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Description

本発明は、アキシャルギャップ型回転電機及び固定子に係り、コイルが巻き回された複数の固定子コアメンバがモールド材によってモールドされたアキシャルギャップ型回転電機及び固定子に関する。
電動機や発電機といった回転電機の高効率化を進めるにあたり、近年磁性体としてネオジムマグネット等の希少金属(レアアース)を用いたPM(Permanent Magnet)型回転電機が知られている。希少金属の利用には、価格を始めとした希少性に起因する種々の課題がある。この点、希少金属を使用しないフェライトマグネットを有効的に使用することで、十分な特性を得ることのできる種々の回転電機も知られている。
例えば、現在主流となっている電動機の構成は、出力軸と同一方向にエアギャップを持つラジアルギャップ型電動機であるが、この構成は出力軸の回転方向に沿ってフェライトマグネットを配置しなければならず、ネオジムマグネットと同一の特性を得るためにはフェライトマグネットの体積を大きくする必要がある。結果、電動機が大型化する。
性能を確保しつつ電動機の大型化を防止するための手段として、例えば、特許文献1は、ラジアルギャップ型電動機において、固定子(ステータ)に巻き回されるコイルの占積率を向上させ、結果として固定子の小径化を図る電動機を開示する。具体的には、巻き回されるコイルの形状を標準的な矩形コイルと、台形を成すコイルとを交互に組み付けコンパクト化し、隣接する矩形コイルと、台形コイルとの間で所要の距離を確保する構成をとる。このため、矩形コイルと台形コイルの組み付けの占積率を高めることができ、電動機の性能を確保しながら電動機の大型化を防止するとされている。
アキシャルギャップ型回転電機の固定子(ステータ)には、電磁鋼鈑をはじめとする積層鉄心(コア)に樹脂等からなる絶縁材(ボビン/インシュレータ等)を配置し、その外周にコイルを巻き回して得た複数のコアメンバを回転電機の出力軸に対して環状に配置される構成のものがある。環状に配置された複数のコアメンバは、樹脂モールドによって一体的に形成することで固定子を得るようになっている。
このとき、巻き回されるコイルは、回転電機の出力軸の回転方向に対し水平方向に幾つかの層に巻き回され、環状に配置された隣接するコイルの間には所定の空隙が設けられる。この空隙は、隣接するコイルとの絶縁距離確保や、固定子としての強度確保の為の樹脂モールド工程において、樹脂の流路としても機能する。
特開2007−180056号広報
しかしながら、前述するコイル間の空隙は、巻き回されるコイルの数量によって外周部の形状が異なることから、形成される空隙の形状はアキシャルギャップ型電動機の出力によって異なることになる。そのため、空隙の大きさ、形状によりステータを形成するために行う樹脂成形時の樹脂の充填が満足せずに、装置の信頼性が低下するという課題がある。
このような樹脂充填時の流路を確保するためには、回転軸方向にコアやボビンを延伸させ、巻き回されるコイルの重なりを少なくすることで空隙の大きさを確保することができるが、大型化及びそれに伴うコストの増加など生産性が損なわれるという課題がある。
小型化や生産性を確保しつつ、電動機の信頼性を向上させる技術が望まれる。
上述した課題を解決するため、特許請求の範囲に記載の構成を適用する。一例をあげるならば、内周側よりも外周側のコイル巻数が少ないコイルが巻き回されたコアを有するコアメンバが、回転軸を中心に隣接するコアメンバと所定の空隙をもって環状に配置され、該複数のコアメンバが樹脂モールドされてなるステータと、前記コアの軸方向端面と所定のギャップを介して対向するロータとを有するアキシャルギャップ型回転電機であって、前記コアメンバが、軸方向一方側のコイル巻き回し層の数が、他方側の巻き回し層の数より大である第1コアメンバと、軸方向一方側のコイル巻き回し層の数が、他方側の巻き回し層の数より小である第2コアメンバとからなり、前記ステータが、第1コアメンバの巻き回し層の数が大である側のコイルと、第2コアメンバの巻き回し層の数が小である側のコイルとが対向して、前記第1及び第2コアメンバが交互に配置された構成である。
本発明の一側面によれば、隣接するコアメンバのコイル間の空隙が確保され、樹脂が内部まで十分に充填することができ、小型化や、回転電機の信頼性、生産性が向上する。
本発明の他の課題、構成及び効果は、以下の記載から明らかになる。
(a)は、本発明を適用した実施例1によるアキシャルギャップ型電動機の全体構成を示す部分断面図である。(b)は、電機子の概要構成を示す縦断面図である。 (a)は、実施例1のステータコアメンバを環状に配置した場合の上面図である。(b)は、ステータコアメンバが樹脂モールドされた場合の縦断面を示す模式図である。 (a)は、実施例1によるコアとボビンの構成を示す斜視図である。(b)は、更にコイルを巻き回したときのコアメンバの構成を示す斜視図である。 (a)は、比較例によるコアメンバを隣接配置した様を示す断面図である。(b)は、比較例によるコイルの整列巻を示す模式図である。(c)は、実施例1によるコイル巻き回しの様を示す模式図である。 実施例1による第1コアメンバと第2コアメンバを隣接配置した場合の各コイル間等の関係を示す断面図である。 (a)は、実施例1による第1コアメンバのコイル巻き回し手順を説明する模式図である。(b)は、第2コアメンバのコイル巻き回し手順を説明する模式図である。 実施例2による第1コアメンバ及び第2コアメンバを隣接配置した場合のコイルの構成を示す断面図である。 実施例2による第1コアメンバのコイル巻き回しの手順を説明する模式図である。 実施例2による第1コアメンバの外観を示す模式図である。 実施例2による第2コアメンバのコイル巻き回しの手順を説明する模式図である。 実施例2による第2コアメンバの外観を示す模式図である。 実施例2による第1及び第2コアメンバ間の空隙の関係を示す断面図である。 実施例2による第1及び第2コアメンバを隣接配置した場合の外観を示す模式図である。
上述した課題を解決するため、特許請求の範囲に記載の構成を適用する。一例をあげるならば、内周側よりも外周側のコイル巻数が少ないコイルが巻き回たコアを有するコアメンバが、回転軸を中心に隣接するコアメンバと所定の空隙をもって環状に配置、該複数のコアメンバモールド材モールドするステータと、前記コアの軸方向端面と所定のギャップを介して対向するロータとを有するアキシャルギャップ型回転電機であって、前記コアメンバが、軸方向一方側のコイル巻き回層の数が、他方側の巻き回層の数より大である第1コアメンバと、軸方向一方側のコイル巻き回層の数が、他方側の巻き回層の数より小である第2コアメンバとからなり、前記ステータが、第1コアメンバの巻き回層の数が大である側のコイルと、第2コアメンバの巻き回層の数が小である側のコイルとが対向して、前記第1及び第2コアメンバが交互に配置する構成である。
図1(a)に、本発明を適用した実施例1によるアキシャルギャップ型電動機1の全体構成を部分断面で示し、図1(b)に、電機子の要部の縦断面図を模式的に示す。アキシャルギャップ型電動機1は、概略筒形状のハウジング5内部にステータ2、出力軸4に固定されて共回りするロータ3、軸受を介して出力軸4と接続された出力側及び反出力側のエンドブラケット、反出力軸側のエンドブラケットを貫通した回転軸4の端部に共回りするように設置された冷却ファン及び冷却ファンの生成する冷却風をハウジング5の外周側に案内するファンカバーを備える。
図1(a)、(b)示すように、アキシャルギャップ型電動機1は、出力軸方向の磁束を有する円環形状のステータ2が、出力軸側及び反出力軸側に設けられた平面対向する2つのロータ3と、所定のエアギャップを介して平面対向する2ロータ式の電機子構成である。なお、本発明は本構成に限定されるものではなく、シングルロータ式、複数のステータと複数のロータとからなる構成など、種々の形式に適用することができる。
図2(a)に、軸方向から観察したステータ2の構成を示す。ステータ2は、複数(本例では12個)のコアメンバ6が、ハウジング5内で回転軸心を中心に円環形状に配列される。このとき回転方向に隣接するボビン7夫々の鍔端部が部分的に当接することで、コアメンバ6が位置決めされる。その後、当該環状体がモールド材(本例では、樹脂を用いるものとする)によってモールディングされるようになっている。
図2(b)に、ステータ2を樹脂モールドした後の縦断面を示す。各コアメンバ6は、コア8のコア端部8a(点線部)以外は、各コアメンバ間、コアメンバとハウジング間等全てがモールド樹脂20に覆われるようになる。また、ステータ2は、モールドによってハウジング5の内周に固定される。なお、個別にモールド成形などで強度部材として固形化された状態を製作し、ステータ2をボルト等でハウジング5に固定するようにしてもよい。
図3(a)及び(b)に、ステータコアメンバ6の構成を示す、ステータコアメンバ6は、コア8、ボビン7及びコイル9を備える。コア8は、磁性体からなる箔帯(テープ状)のアモルファス金属を徐々に幅を違えて積層し、軸心から径方向に積層してなる積層コアである。コア8の形状は、径方向断面が概略台形の概略柱体形状であり、回転軸方向の端面を磁束面としてロータ面と対向する。なお、コア8の形状はこれに限るものではなく、回転軸方向で径が変化する概略錐台形状でもよいし、径方向断面が円や楕円等種々の形状でもよい。また、コア8は、箔帯や薄鋼板を回転方向に積層するようにしてもよいし、粉体によって成形されたものでもよい。
ボビン7は、樹脂等の絶縁材からなり、コア8の外周形状と概略一致する内周形状を有する筒状体からなる。筒状体からなるボビン7の軸方向両端部付近には、回転方向及び径方向に所定幅延伸する鍔部7aを有する。突起7bは、樹脂モールド時にコアメンバ6を環状配置した際、隣接するコアメンバ6の突起7と回転方向及び/又は軸方向に当接し、コアメンバ6の位置決めを行う。また、隣接する突起7b同士が当接することによって、隣接するコアメンバ6のコイル間の空隙10に充填するモールド樹脂の流路が確保されるようになっている。なお、突起7bを設けずに、所定間隔でコアメンバ6を位置決めする他の手段を用いてもよい。コア8がボビン7に挿入され、軸方向の両鍔7aの間にアルミや銅からなるコイル9が巻き回されることで、コアメンバ6が構成されるようになっている。
ここで、ボビン7に巻き回すコイル9の層数は、両鍔部7a間において必ずしも同数であるとは限らない。これは、他のコアメンバ6では、巻始めコイル末端9sと、巻き終りコイル末端9eの引き出しが、軸方向で同じ側(出力軸側或いは反出力軸側)とすることの要請である。例えば、ボビン7のコイル巻き回し領域の長さ、コイル9の線径や巻き回し層数及び回数、そして、巻始め並びに巻き終り末端の引出し方向を全て考慮し、ボビンサイズ、コイル径や段数を決定することは可能であるが、出力面、製造上からのサイズバリエーションコストの面及び電機子の小型化という側面から、コイル径及び巻段数等を常に一律とすることが困難であるためである。
よって、コイル9は、最外層の途中で巻き回しに予定されたコイル量に至り、巻き終りコイル末端9eから引出線口まで距離が残ってしまうことを防止するために、最外層の巻き終りコイル末端9eが引出線口の位置に一致するように、途中で折り返して巻き戻されるようになっている。
図4(a)に、コアメンバ6を環状配列した際の縦断面を模式的に示す。
同図に示すように、コイルの外周側の二段は、一方の鍔部7a側に偏って巻き回される。図4(b)は、コイルを単純に順巻したときの比較例を示したものである。コイルの巻き量との関係で最外周の巻き終わり位置と、出力軸側の鍔部7aとで距離が残る様を示す。即ち出力軸側の鍔部7aから巻き始めコイル末端9sを巻き回し、1段目が反出力軸側の鍔部7aまで巻き回されると、再度、出力軸側の鍔部7aに巻き戻し、これを巻き終わりコイル末端9eまで繰り返す。この場合、コイル末端9eは、6層目の途中で予定巻き回し量となり、出力軸側の鍔部7aに設けられた引出線口まで至らないこととなる。
これに対して本実施例では、図4(c)に示す様に5層目の途中で折り返し、巻始めコイル末端9sと同じ側の鍔部7aにコイル巻き終り末端9eが巻き回されるようになっている。即ち5層目の一部が6層目として巻き回される。
この結果、層数の少ない方が、隣接するコイル9との空隙10が大となり、その逆は小となる。樹脂モールド工程で、この空隙10に樹脂を(主に)回転軸方向(図状の上下方向)から充填する際、空隙10が小の部分には樹脂が十分行き渡らない虞があり、強度や絶縁性に課題が残る。特に、コイル間の空隙10が小となる部分は、大となる部分と比して絶縁性や強度に対する影響も大きく、かかる部分にまで十分に樹脂を充填する必要性が高いと言える。
なお、隣接するコイル9間の樹脂流路を確保する方法としては、巻段数が少なくなるようにボビン7を軸方向に延長したり、コイル9の巻き回し量を少なくしたりすることでも実現できるが、小型化(扁平性含む)の確保や出力の低下といった課題が残る。
そこで、本実施例の特徴の一つは、一方軸方向側と、他方軸方向側とでコイルの巻き段数が異なるコアメンバを、巻段数が多いコイルと、巻段数が少ないコイルとが対向するように、交互に配置する点にある。
図5に、本実施例による隣接するコアメンバ6の部分従断面図を示す。第1コアメンバ6aは、コイル9の巻き回し層数が出力軸側で多く、第2コアメンバ6bは、コイル9の巻層数が反出力軸側で多い。このように、隣接するコアメンバで、巻き回し層数が多いコイルと、巻層が少ないコイル同士を対向するように配置することで、隣接コイル間に形成される空隙10の幅を十分且つ略均一に確保することができる。
また、同図から明らかなように、第1コアメンバ6aも第2コアメンバ6bも、巻始めコイル末端9sと巻終りコイル末端9eの引出方向が共に出力軸側である点も特徴の一つである。例えば、第1コアメンバ6aの向きを軸方向で逆にすることで、巻き回し層数が多いコイルと少ないコイルを対向させ、十分且つ均一な幅の空隙10を確保することができるが、この場合、一方のコイル巻始めや巻き終り末端の引出し方向も逆(反出力軸側)となる。コイル引出し方向が同一であると、電動機1の組立性の面で好適である。
図6(a)に、第1コアメンバ6aのコイル巻き回し手順を示す。先ず出力軸側ボビン鍔部7aの付け根付近から、コイル巻き始め末端9sを巻始める。4層目までは、両鍔部7aの付け根付近で折り返して巻き回し、5層目の途中から折り返して、引出線口が設けられた出力軸側の鍔部7aに巻き回すようになっている。即ち奇数層目(5層目)で折り返しを開始する。
図6(b)に、第2コアメンバ6aのコイル巻き回し手順を示す。先ず、出力軸側のボビン鍔部7aの付け根付近からコイル巻き始め末端9sを巻き始めるのは、第1コアメンバ6aと同様である。3層目までは同様にコイルを巻き回すが、第2コアメンバ6bでは、4層目の途中で反出力軸側の鍔部7aに折り返し、その後、6層目まで途中折り返しの巻き回しを繰り返す。その後、6層目のコイルが、5層目に巻き回されたコイル付近まで巻き回されると、5層目として一巻し、その後、4層目として出力軸側の鍔部7aまで巻き進む。即ち第2コアメンバ6bは、偶数層目(4層目)で折り返しを開始する。これにより、第2コアメンバ6bのコイル巻き終り末端Seの引出線方向も、出力軸側となる。
以上のように、実施例1のコアメンバ6によれば、巻層数が多いコイルが回転方向に幅が大となる分、巻層数が少ないコイルが回転方向に幅が小となり、隣接するコイルメンバ間の空隙10の幅が十分且つ略均一に確保され、樹脂の流動性が高まり、充填が確実となる。
また、実施例1のコアメンバ6によれば、隣接する第1コアメンバ6aと第2コアメンバ6bのコイル末端9s及び9eの引出方向が同一となり、電動機1の組立性も向上する。
次いで、実施例2について説明する。実施例1のコアメンバ6は、第1コアメンバ6aに隣接する第2コアメンバ6bに巻き回されるコイルの層数が、第1コアメンバ6aと逆になる点を1つの特徴とする。即ち第1コアメンバ6aも、第2コアメンバ6bも概略同じ段数(2段)の階段状の外観を有し、これが点対称となる外観を有する。
これに対して実施例2のコアメンバ6は、実施例1と同様に、隣接するコアメンバ6同士で軸方向のコイル巻き回し層数が異なるのに加えて、第1コアメンバ6cは鍔部7aの途中で折り返し、その後、折り返しコイル部分を起点として順巻を繰り返すのに対し、第2コアメンバ6dは、鍔部7a間の途中で折り返した後、更に、その折り返し部分よりも一方の鍔部7a側で折り返して順巻を行う点を特徴の1つとする。この結果、例えば、第1コアメンバが、概略2段の階段状の外観となるのに対し、第2コアメンバが概略3段の階段状の外観形状となり、隣接するコアメンバで非対象的な外観となる。
図7に、実施例2による第1コアメンバ6cと、第2コアメンバ6dの縦断形状を示す。なお、実施例2も同様に、巻き回されるコイル径及び回数は実施例1と同様であり、コイル9の引出し方向も同じ方向(出力軸側又は反出力軸側)となる。
本実施例では、隣接する鍔部7a間の幅Waに対し、第1コアメンバ6cの最外層(6層目)コイルの外周から第2コアメンバ6dの中間段(4層目)までの幅Wcが大となる。即ち空隙10において、最も隣接コイル間の幅が狭小となる部分が、主たる樹脂流入口のWaより広がり、樹脂の流入路が十分に確保される。
図8に、第1コアメンバ6cのコイル巻き回し順を示す。第1コアメンバ6cは、出力軸側の鍔部7a付近からコイル巻始め末端9sを巻き始めて1層目を形成し、反出力側端部の鍔部7a付近で折り返して順巻きされ2層目を構成する。その後、3層目の途中で折り返し、その後、3層目の折り返しコイルを基準として、6層目まで順巻を繰り返す。6層目の最後は、2〜5層目の出力軸側に順次巻き回され、コイル巻き終わり末端が引き出されるようになっている。図9に、第1コアメンバ6cの外観斜視図を示す。6層部と2層部による概略2段構成の外観となる。
また、2層目のコイルが出力軸側の鍔部7aまで(巻始めコイル末端9sと1層目に2巻目の間まで)巻き回されると、3層目のコイルは、出力軸側の鍔部7aから2番目と3番目の2層目のコイルの間に巻き回されるようになっており、これ以降の層も折り返しの度に出力軸側の鍔部7aから一巻分反出力軸側に巻き回されるようになっている。
これによって、コイル巻き回しにより鍔部7aが軸方向に押圧されることがなく、鍔部7aの軸方向への反りや破損を防止することができる。また、鍔部7a上のコア8寄りに巻き終わりコイル末端9eを引き出す引出線口が形成されることから、引出線及び引出線口にコイルテンションの負荷が比較的かかりにくい位置に、巻き終わりコイル末端を導くことができる。
図10に、第2コアメンバ6dのコイル巻き回し順を示す。第2コアメンバ6dは、出力軸側の鍔部7aからコイル巻始め末端が巻き回され、1層目が形成される。2層目の途中で、折り返して順巻されて3層目が形成される。4層目において、2層目の折り返し点よりも更に反出力軸側の鍔部7a寄りで折り返して順巻されることで5層目が形成される。その後、6層目の最後で、各層の最外周を形成するように巻き回され、2層目の出力軸側鍔部7aから、巻き終わりコイル末端が引き出されるようになっている。図11に、第2コアメンバ6dの外観斜視図を示す。6層部と、4層部と、2層部とによる概略3段構成の外観となる。
図12に、隣接する第1及び第2コアメンバ同士の空隙10の断面を模式的に示す。第2コアメンバ6dのコイル部分が3段の階段状に徐々に末広がりになることから、軸方向に流入する樹脂の流れをより滑らかに案内し、空隙10に隙間なく樹脂を充填することを更に助長することが期待できる。図13に、第1コアメンバ6cと、第2コアメンバ6dと隣接配置される場合の配置態様を模式的に示す。
また、実施例2は、隣接するコアメンバのコイルを実施例1のように点対称としたとき、空隙10の軸方向中央付近で、互いにコアが部分的に接触或いは著しく空隙10が狭小となるような巻き量の時にも有効な構成であるとも言える。一方コイルメンバの軸方向中央付近のコイル巻幅を抑え、コイル同士が接触等することなく、十分な幅の樹脂流路を確保することがきる。
以上、本発明を実施するための形態を説明したが、本発明は上記構成に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で種々設計変更できるものである。例えば、ボビン7には、コアメンバの位置決め等のために鍔部7aを設けているが、樹脂モールドの充填圧に対してコアメンバを保持できる他の手段を用いることができれば必須の構成ではない。
また、上記実施例では、コイルの引出しを出力軸側として説明したが、反出力軸側であってもよい。
1…アキシャルギャップ型電動機、2…ステータ、3…ロータ、4…シャフト、5…ハウジング、6…コアメンバ、6a・6c…第1コアメンバ、6b・6d…第2コアメンバ、7…ボビン、7a…鍔部、7b…突起、8…コア、9…コイル、9s…巻き始めコイル末端、9e…巻き終りコイル末端、10…空隙、20…モールド樹脂

Claims (8)

  1. 内周側よりも外周側のコイル巻数が少ないコイルが巻き回コアを有するコアメンバが、回転軸を中心に隣接するコアメンバと所定の空隙をもって環状に配置、該複数のコアメンバモールド材モールドするステータと、前記コアの軸方向端面と所定のギャップを介して対向するロータとを有するアキシャルギャップ型回転電機であって、
    前記コアメンバが、
    軸方向一方側のコイル巻き回層の数が、他方側の巻き回層の数より大である第1コアメンバと、
    軸方向一方側のコイル巻き回層の数が、他方側の巻き回層の数より小である第2コアメンバとからなり、
    前記ステータが、
    第1コアメンバの巻き回層の数が大である側のコイルと、第2コアメンバの巻き回層の数が小である側のコイルとが対向して、前記第1及び第2コアメンバが交互に配置するアキシャルギャップ型回転電機。
  2. 請求項1に記載のアキシャルギャップ型回転電機であって、
    前記第2コアメンバが、軸方向に対して、コイルの巻き回り層数が徐々に増加するものであるアキシャルギャップ型回転電機。
  3. 請求項2に記載のアキシャルギャップ型回転電機であって、
    前記コイルの巻き回層数が、連続する少なくとも2以上の層数で増加するものであるアキシャルギャップ型回転電機。
  4. 請求項1に記載のアキシャルギャップ型回転電機であって、
    前記コアメンバに巻き回コイルの巻き始め末端と巻き終わり末端の引出しが全て、前記回転軸の出力側或いは反出力側となるものであるアキシャルギャップ型回転電機。
  5. 請求項4に記載のアキシャルギャップ型回転電機であって、
    第2コアメンバが、最外層且つ偶数層に巻き回コイルが、従前に巻き回った全ての層の最外周に巻き回ものであるアキシャルギャップ型回転電機。
  6. 請求項1に記載のアキシャルギャップ型回転電機であって、
    前記モールド材が樹脂であるアキシャルギャップ型回転電機。
  7. 回転軸方向に磁束面を有するコアと、該コアの内周側よりも外周側で巻数が少なく巻き回コイルとを有する複数のコアメンバが、回転軸を中心として環状に配置する固定子であって、
    前記複数のコアメンバが、
    軸方向一方側のコイル巻き回層の数が、他方側の巻き回層の数より大である第1コアメンバと、
    軸方向一方側のコイル巻き回層の数が、他方側の巻き回層の数より小である第2コアメンバとを含み、
    第1コアメンバの巻き回層の数が大である側のコイルと、第2コアメンバの巻き回層の数が小である側のコイルとが所定の空隙をもって対向して、該第1及び第2コアメンバが交互に配置
    前記複数のコアメンバ同士、モールド材一体的にモールドする固定子。
  8. 請求項7に記載の固定子であって、前記モールド材が樹脂である固定子。
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